環氧樹脂/碳纖維復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及碳纖維增強材料領域，特別涉及一種環氧樹脂/碳纖維復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]環氧樹脂/碳纖維復合材料是一種高強度材料，其具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕等優異性能，廣泛用于航天、汽車、電子、體育用品、醫療器械等領域。由于環氧樹脂/碳纖維復合材料的性能決定于所用的碳纖維本體、環氧樹脂基體以及兩者之間的結合力度。然而，由于環氧樹脂和碳纖維的熱膨脹系數有較大差距，這容易使得固化后的環氧樹脂/碳纖維復合材料存在較大的界面熱殘余應力。此外，該環氧樹脂/碳纖維復合材料還因環氧樹脂的固化而存在收縮殘余應力。這些界面應力的存在非常容易造成環氧樹脂/碳纖維復合材料損壞。所以，提供一種具有低界面應力的環氧樹脂/碳纖維復合材料的十分必要。
[0003]舉例來說，現有技術通常通過向環氧樹脂/碳纖維復合材料中引入膨脹性單體，例如螺環原碳酸酯類、螺環原酸酯類、雙環原酸酯類、縮酮內酯類等，從而在一定程度上減小環氧樹脂/碳纖維復合材料的界面應力。
[0004]發明人發現現有技術至少存在以下問題:
[0005]現有技術在環氧樹脂/碳纖維復合材料中加入膨脹性單體，會使得環氧樹脂/碳纖維復合材料的剪切強度損失，且各組分之間的相容性差。
【發明內容】
[0006]本發明實施例所要解決的技術問題在于，提供了一種相容性好且界面應力小的環氧樹脂/碳纖維復合材料及其制備方法。具體技術方案如下:
[0007]一方面，本發明實施例提供了一種環氧樹脂/碳纖維復合材料，所述復合材料中含有硅橡膠，所述硅橡膠同時與環氧樹脂和碳纖維交聯在一起。
[0008]具體地，作為優選，所述環氧樹脂為雙酚F型環氧樹脂。
[0009]具體地，作為優選，所述硅橡膠為聚甲基乙烯基硅氧烷。
[0010]具體地，作為優選，所述碳纖維為碳纖維布。
[0011]另一方面，本發明實施例提供了上述任意一種復合材料的制備方法，包括:
[0012]步驟a、選取預定鋪層的碳纖維布作為碳纖維原料，并對所述碳纖維布進行除雜，然后采用空氣冷等離子體對除雜后的碳纖維布進行活化處理，得到活化的碳纖維布；
[0013]步驟b、按重量份計，將10-20份的液體硅橡膠、4-6份的交聯劑以及1_2份的催化劑混合，配制成預定重量的液體硅橡膠處理液；
[0014]步驟C、將所述活化的碳纖維布浸漬在所述液體硅橡膠處理液中，使碳纖維布的內部及表面均布滿所述液體硅橡膠處理液，然后進行風干，得到厚度為150-600 μ m的附有硅橡膠的碳纖維布；
[0015]步驟d按重量份計，將10份的環氧樹脂和2-3份的環氧樹脂固化劑混合均勻，配制成預定重量的環氧樹脂處理液，然后通過真空袋壓成型法，將所述環氧樹脂處理液浸潤至所述附有硅橡膠的碳纖維布中，然后進行固化處理，得到所述復合材料。
[0016]具體地，作為優選，所述步驟a中，通過將所述碳纖維布置于有機溶劑中浸泡2-3h，然后在真空干燥箱中于50-80°C的溫度下干燥30-60min，來對所述碳纖維布進行除雜O
[0017]具體地，作為優選，所述有機溶劑選自丙酮、四氫呋喃、乙醇中的至少一種。
[0018]具體地，作為優選，所述步驟b中，所述液體硅橡膠為聚甲基乙烯基硅氧烷，所述交聯劑為聚甲基氫硅氧烷，所述催化劑為鉑及鉑的絡合物。
[0019]具體地，作為優選，所述鉑的絡合物為氯鉑酸與環烷烴、醇或者醛的絡合物。
[0020]具體地，作為優選，所述步驟c包括:將所述活化的碳纖維布浸漬在所述液體硅橡膠處理液中3-8min，使所述碳纖維布的內部及表面均布滿所述液體硅橡膠處理液，然后進行風干，重復該過程3-5次，獲取厚度為150-600 μm的附有硅橡膠的碳纖維布。
[0021]具體地，作為優選，所述步驟d中，所述固化處理包括:在70_90°C下固化處理1-1.5h，然后升溫至110-130 °C固化處理1.5-2.5h，然后升溫至140-160 °C固化處理1.5~2.5h。
[0022]本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:
[0023]本發明實施例提供的環氧樹脂/碳纖維復合材料，通過向其中加入硅橡膠，使硅橡膠同時與環氧樹脂和碳纖維交聯在一起，制備得到環氧樹脂、碳纖維和硅橡膠相容性較好復合材料。通過在該復合材料中加入硅橡膠，能夠有效降低該復合材料的界面應力，并同時提高其強度，其沖擊強度相比常規的不含有硅橡膠的環氧樹脂/碳纖維復合材料提高了30-45%。
【具體實施方式】
[0024]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0025]一方面，本發明實施例提供了一種環氧樹脂/碳纖維復合材料，該復合材料中含有硅橡膠，硅橡膠同時與環氧樹脂和碳纖維交聯在一起。
[0026]本發明實施例提供的環氧樹脂/碳纖維復合材料，通過向其中加入硅橡膠，使硅橡膠同時與環氧樹脂和碳纖維交聯在一起，制備得到環氧樹脂、碳纖維和硅橡膠相容性較好復合材料。通過在該復合材料中加入硅橡膠，能夠有效降低該復合材料的界面應力，并同時提高其強度，其沖擊強度相比常規的不含有硅橡膠的環氧樹脂/碳纖維復合材料提高了30-45%。
[0027]可以理解的是，本發明實施例中所用的碳纖維為本領域常見的碳纖維材料，其更優選為耐高溫、抗拉強度高、彈性模量大的碳纖維布。舉例來說，該碳纖維布的厚度可以為Illym或者167μπι。進一步優選地，本發明所選用的碳纖維布的抗拉強度為3000-4500MPa、模量為250_400GPa、伸長率為1.6-1.8%。相應地，本發明實施例所用的環氧樹脂也為本領域常用的環氧樹脂類型，作為一種優選方式，其可以為雙酚F型環氧樹脂，該類樹脂粘度小(1000-2500mPa*S)，更適合采用真空袋壓成型法進行成型處理。由上述可知，本發明實施例提供的環氧樹脂/碳纖維復合材料同樣具有比強度、比模量高，密度小，結構尺寸穩定、耐熱、耐低溫及材料性能可設計等優點，其既可以作為結構材料承載又可以作為功能材料發揮作用。而本發明實施例所采用的硅橡膠具有良好的抗沖擊力及彈性，通過將硅橡膠、環氧樹脂和碳纖維互相交聯在一起，三者之間具有高相容性，不僅有效降低所制備的環氧樹脂/碳纖維復合材料的界面應力，且能夠進一步提高該復合材料的強度。
[0028]具體地，為了提高硅橡膠與環氧樹脂及碳纖維布的交聯力度，本發明實施例所用的硅橡膠可以為甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠等。舉例來說，其可以為聚甲基乙烯基硅氧烷。相應地，在使用過程中，需要交聯劑使其與環氧樹脂交聯，所用的交聯劑為聚甲基氫硅氧烷。其中，在保證不降低環氧樹脂/碳纖維復合材料強度的前提下，且能有效降低該復合材料的界面應力，減少其受損的風險，本發明實施例聚甲基氫硅氧烷占該復合材料的重量比一般在5 % -20 %之間，優選7-15 %之間。
[0029]另一方面，本發明實施例提供了上述任意一種的復合材料的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0030]步驟101、選取預定鋪層的碳纖維布作為碳纖維原料，并對該碳纖維布進行除雜，然后采用空氣冷等離子體對除雜后的碳纖維布進行活化處理，得到活化的碳纖維布。
[0031]步驟101通選用本領域常見的碳纖維布作為碳纖維原材料，通過對該碳纖維布進行除雜處理，以除去碳纖維布上存在的低分子有機物以及其他各種雜質，從而提高碳纖維布與環氧樹脂之間的結合力度。具體地，通過將該碳纖維布置于有機溶劑(例如，丙酮、四氫呋喃、乙醇及其組合物等)中浸泡2_3h，優選2h，然后在真空干燥箱中于50_80°C的溫度下干燥30-60min，從而有效除去低分子類有機物，達到對該碳纖維布進行除雜的目的。
[0032]進一步地，步驟101中，采用空氣等冷離子體對上述干燥后的碳纖維布進行活化處理，從而使該干燥的碳纖維布的表面附有羥基、羧基等活性基團，進而通過這些活性基團與環氧樹脂中的環氧基發生交聯作用，提高兩者的結合力度。此外，該碳纖維布經空氣冷等離子體處理后，其靜摩擦系數和動摩擦系數均得到大幅度提升，纖維表面出現橫向均勻刻蝕層，粗糙度增加，更利于提高其與硅橡膠以及環氧樹脂之間的結合力度，進而減小復合材料的界面應力。作為優選，空氣等冷離子體的處理條件如下:處理功率為200-400W、處理時間為30-45min、處理壓力為30_50Pa。
[0033]此外，在制備本發明實施例提供的復合材料的過程中，對碳纖維布的鋪層安排不作具體限定。亦即，根據特定的碳纖維布的鋪層安排，所制備的復合材料中碳纖維和環氧樹脂的重量配比也相應的有所改變。不過，本發明實施例期望的是，環氧樹脂和硅橡膠均盡可能的浸入并布滿碳纖維布的內部及表面。
[0034]步驟102、按重量份計，將10-20份的液體硅橡膠、4_6份的交聯劑以及1_2份的催化劑混合，配制成預定重量的液體硅橡膠處理液。
[0035]可以理解的